С момента изобретения телескопа четыреста лет назад астрономы были очарованы газовым гигантом, известным как Юпитер. Между постоянными клубящимися облаками, множеством лун и гигантским красным пятном на этой планете есть много вещей, которые одновременно восхитительны и увлекательны.
Но, пожалуй, самой впечатляющей особенностью Юпитера являются его огромные размеры. С точки зрения массы, объема и площади поверхности Юпитер - самая большая планета в нашей Солнечной системе с большим отрывом. И поскольку люди знали о его существовании на протяжении тысячелетий, он играл активную роль в космологических системах многих культур. Но что именно делает Юпитер таким массивным и что еще мы о нем знаем?
Размер, масса и орбита:
Масса, объем, площадь поверхности и средняя окружность Юпитера равны 1,8981 x 1027кг, 1.43128 x 10пятнадцатькм3, 6,1419 х 1010км2и 4,39264 x 105км соответственно. Для сравнения: диаметр Юпитера примерно в 11 раз больше, чем у Земли, и в 2,5 раза больше массы всех других планет Солнечной системы вместе взятых.
Но, будучи газовым гигантом, он имеет сравнительно невысокую плотность - 1,326 г / см3.3- что составляет менее четверти земного. Это означает, что, хотя объем Юпитера эквивалентен примерно 1321 Земле, он всего в 318 раз больше. Низкая плотность - это один из способов, с помощью которого ученые могут определить, что он состоит в основном из газов, хотя все еще ведутся споры о том, что существует в его основе (см. Ниже).
Юпитер вращается вокруг Солнца на среднем расстоянии (большая полуось) 778 299 000 км (5,2 а. Е.), От 740 550 000 км (4,95 а. Е.) В перигелии до 816 040 000 км (5,455 а. Е.) В афелии. На таком расстоянии Юпитеру требуется 11,8618 земных лет, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца. Другими словами, один юпитерианский год длится в эквиваленте 4332,59 земных суток.
Однако вращение Юпитера - самое быстрое из всех планет Солнечной системы, он совершает вращение вокруг своей оси чуть менее чем за десять часов (9 часов 55 минут и 30 секунд, если быть точным. Таким образом, один юпитерианский год длится 10 475,8 юпитерианских солнечных дня. Этот орбитальный период составляет две пятых орбитального периода Сатурна, а это означает, что две самые большие планеты в нашей Солнечной системе образуют орбитальный резонанс 5: 2.
Состав и состав:
Юпитер состоит в основном из газообразного и жидкого вещества. Это самый большой из газовых гигантов, и, как и они, он разделен на газообразную внешнюю атмосферу и внутреннюю часть, состоящую из более плотных материалов. Его верхняя атмосфера состоит из примерно 88–92% водорода и 8–12% гелия по объему молекул газа, и прибл. 75% водорода и 24% гелия по массе, а оставшийся 1% состоит из других элементов.
Этот вырез иллюстрирует модель внутренней части Юпитера со скалистым ядром, перекрытым глубоким слоем жидкого металлического водорода. Предоставлено: Kelvinsong / Wikimedia Commons.
Атмосфера содержит следовые количества метана, водяного пара, аммиака и соединений на основе кремния, а также следовые количества бензола и других углеводородов. Также присутствуют следы углерода, этана, сероводорода, неона, кислорода, фосфина и серы. Кристаллы замороженного аммиака также наблюдались во внешнем слое атмосферы.
Внутренняя часть содержит более плотные материалы, так что распределение составляет примерно 71% водорода, 24% гелия и 5% других элементов по массе. Считается, что ядро Юпитера представляет собой плотную смесь элементов - окружающий слой жидкого металлического водорода с некоторым количеством гелия и внешний слой, состоящий преимущественно из молекулярного водорода. Ядро также было описано как каменистое, но это также остается неизвестным.
В 1997 г. наличие ядра был предложен на основе гравитационных измерений, показывающих, что масса в 12–45 раз превышает массу Земли, или примерно 4–14% от общей массы Юпитера. Присутствие ядра также подтверждается моделями планетарного образования, которые показывают, что в какой-то момент истории планеты было необходимо каменистое или ледяное ядро, чтобы собрать весь водород и гелий из протосолнечной туманности.
Однако возможно, что этот сердечник с тех пор сжался из-за конвекционных потоков горячего жидкого металлического водорода, смешивающегося с расплавленным сердечником. Это ядро может даже отсутствовать сейчас, но необходим подробный анализ, прежде чем это можно будет подтвердить. В Миссия юноны , который был запущен в августе 2011 года (см. ниже), как ожидается, даст некоторое представление об этих вопросах и, таким образом, позволит добиться прогресса в решении проблемы ядра.
Температура и давление внутри Юпитера неуклонно возрастают по направлению к ядру. Считается, что на «поверхности» давление и температура составляют 10 бар и 340 К (67 ° C, 152 ° F). Считается, что в области «фазового перехода», где водород становится металлическим, температура составляет 10 000 К (9700 ° C; 17 500 ° F), а давление - 200 ГПа. Температура на границе керна оценивается в 36 000 К (35 700 ° C; 64 300 ° F), а внутреннее давление составляет примерно 3 000–4 500 ГПа.
Спутники Юпитера:
В настоящее время система Юпитера включает 67 известных спутников. Четыре крупнейших известны как Галилеевы луны , названные в честь первооткрывателя, Галилео Галилей . Они включают: в , самое вулканически активное тело в нашей Солнечной системе; Европа , который, как подозревают, имеет массивный подземный океан; Ганимед , самая большая луна в нашей Солнечной системе; а также Каллисто , который, как считается, имеет подповерхностный океан и содержит один из старейших поверхностных материалов в Солнечной системе.
Затем есть Внутренняя группа (или группа Амальтеи), которая состоит из четырех небольших спутников диаметром менее 200 км, с радиусом орбиты менее 200000 км и наклонением орбиты менее половины градуса. В эту группу входят спутники Метис , Адрастеа , Амальтея , а также Фивы . Наряду с рядом еще невидимых внутренних лун, эти спутники пополняют и поддерживают слабую кольцевую систему Юпитера.
У Юпитера также есть множество нерегулярных спутников, которые значительно меньше по размеру и имеют более далекие и эксцентричные орбиты, чем другие. Эти спутники разбиты на семейства, которые имеют сходные орбиты и состав, и, как полагают, в значительной степени являются результатом столкновений крупных объектов, захваченных гравитацией Юпитера.
Иллюстрация Юпитера и галилеевых спутников. Предоставлено: НАСА.
Атмосфера и штормы:
Подобно Земле, Юпитер испытывает полярные сияния около его северного и южного полюсов. Но на Юпитере полярное сияние намного интенсивнее и редко когда-либо прекращается. Интенсивное излучение, магнитное поле Юпитера и обилие материала вулканов Ио, вступающих в реакцию с ионосферой Юпитера, создают поистине захватывающее световое шоу.
Юпитер также испытывает суровые погодные условия . Скорость ветра 100 м / с (360 км / ч) обычна для зональных реактивных самолетов и может достигать 620 км / ч (385 миль / ч). Штормы образуются в течение нескольких часов и за ночь могут достигать тысячи километров в диаметре. Один шторм, Большое красное пятно , бушует по крайней мере с конца 1600-х годов. Шторм сжимался и расширялся на протяжении всей своей истории; но в 2012 году было высказано предположение, что гигантское красное пятно может со временем исчезнуть .
Юпитер постоянно покрыт облаками, состоящими из кристаллов аммиака и, возможно, гидросульфида аммония. Эти облака расположены в тропопаузе и разделены на полосы разных широт, известные как «тропические регионы». Облачный слой составляет всего около 50 км (31 миль) в глубину и состоит как минимум из двух слоев облаков: толстой нижней палубы и более тонкой более чистой области.
Также может быть тонкий слой водные облака под слоем аммиака, о чем свидетельствуют вспышки молния обнаружена в атмосфере Юпитера, что может быть вызвано полярностью воды, создающей разделение зарядов, необходимое для молнии. Наблюдения за этими электрическими разрядами показывают, что они могут быть в тысячу раз мощнее, чем наблюдаемые здесь, на Земле.
Цветное составное изображение ударной вспышки на Юпитере 3 июня. Предоставлено: Энтони Уэсли.
Исторические наблюдения за планетой:
Как планета, которую можно наблюдать невооруженным глазом, люди знали о существовании Юпитера тысячи лет. Поэтому он играл жизненно важную роль в мифологических и астрологических системах многих культур. Первые письменные упоминания о нем относятся к Вавилонской империи 7-8 веков до нашей эры.
Во 2 веке греко-египетский астроном Птолемей построил свою знаменитую геоцентрическую модель планеты, которая содержала отклоняющиеся от тела и эпициклы, чтобы объяснить орбиту Юпитера относительно Земли (то есть ретроградное движение). В своей работе Альмагест , он приписал Юпитеру орбитальный период 4332,38 дня (11,86 года).
В 499 году Ариабхата - математик-астроном из классической Индии - также использовал геоцентрическую модель для оценки периода Юпитера в 4332,2722 дня, или 11,86 года. Также предполагалось, что китайский астроном Ган Де открыл спутники Юпитера в 362 г. до н.э. без использования инструментов. Если это правда, это будет означать, что Галилей не был первым, кто открыл спутники Юпитера двумя тысячелетиями позже.
В 1610 году Галилео Галилей был первым астрономом, который использовал телескоп для наблюдения за планетами. В ходе исследования внешней части Солнечной системы он обнаружил четыре самых больших спутника Юпитера (ныне известные как Галилеевы луны). Открытие других лун, кроме Земли, было важным аргументом в пользу Коперника гелиоцентрическая теория движения планет.
Галилей показывает небо на площади Сан-Марко в Венеции. Обратите внимание на отсутствие адаптивной оптики. Кредит: общественное достояние
В 1660-х годах Кассини использовал новый телескоп, чтобы обнаружить пятна и красочные полосы Юпитера, и заметил, что планета выглядит как сплюснутый сфероид. К 1690 году он также смог оценить период вращения планеты и заметил, что атмосфера претерпевает дифференциальное вращение. В 1831 году немецкий астроном Генрих Швабе создал самый ранний известный рисунок чтобы показать детали Большого Красного Пятна.
В 1892 г. Э. Барнард наблюдал пятый спутник Юпитера с помощью телескопа-рефрактора в обсерватории Лик в Калифорнии. Этот относительно небольшой объект позже был назван Амальтея , и будет последней планетной луной, открытой непосредственно визуальным наблюдением.
В 1932 году Руперт Вильдт идентифицировал полосы поглощения аммиака и метана в спектрах Юпитера; и к 1938 году были обнаружены три долгоживущих антициклонических объекта, названных «белыми овалами». В течение нескольких десятилетий они оставались отдельными частями атмосферы, иногда сближаясь, но никогда не сливаясь. Наконец, два овала слились в 1998 году, затем поглотили третий в 2000 году, став овальная БА .
Начиная с 1950-х годов начались радиотелескопические исследования Юпитера. Это произошло благодаря тому, что астрономы Бернард Берк и Кеннет Франклин обнаружили в 1955 году радиосигналы, исходящие от Юпитера. Эти всплески радиоволн, которые соответствовали вращению планеты, позволили Бёрку и Франклину уточнить оценки скорости вращения планеты.
Инфракрасное изображение Юпитера от полета SOFIA First Light, составленное из отдельных изображений на длинах волн, сделанных камерой FORCAST Корнельского университета. Предоставлено: Энтони Уэсли / Корнельский университет.
Со временем ученые обнаружили, что с Юпитера передаются три формы радиосигналов: декаметровые радиовсплески, дециметровые радиоизлучения и тепловое излучение. Декаметровые всплески меняются в зависимости от вращения Юпитера и зависят от взаимодействия Ио с магнитным полем Юпитера.
Дециметрические радиоизлучения, которые происходят из пояса в форме тора вокруг экватора Юпитера, вызываются циклотронным излучением электронов, которые ускоряются в магнитном поле Юпитера. Между тем тепловое излучение создается теплом в атмосфере Юпитера. Визуализация Юпитера с помощью радиотелескопов позволила астрономам многое узнать о его атмосфере, тепловых свойствах и поведении.
Исследование:
С 1973 года к системе Юпитера было отправлено несколько автоматических космических аппаратов, которые совершили планетарные облеты, доставив их в зону досягаемости планеты. Наиболее заметным из них был Пионер 10 ,первый космический корабль, который подлетел достаточно близко, чтобы отправить обратно фотографии Юпитера и его спутников. Между этой миссией и Пионерская 11, астрономы многое узнали о свойствах и явлениях этого газового гиганта.
Художественный портрет 'Пионера-10' на Юпитере. Изображение предоставлено НАСА / Лаборатория реактивного движения.
Например, они обнаружили, что радиационные поля возле планеты были намного сильнее, чем ожидалось. Траектории этих космических кораблей также использовались для уточнения оценок массы системы Юпитера, а радиозатмения планетой привели к более точным измерениям диаметра Юпитера и степени сглаживания полярности.
Шесть лет спустя Путешествовать начались миссии, которые значительно улучшили понимание галилеевых спутников и обнаружили кольца Юпитера. Они также подтвердили, что Большое Красное Пятно было антициклоническим, что его оттенок изменился во время миссий Пионеров - с оранжевого на темно-коричневый - и на его темной стороне появились молнии. Были также сделаны наблюдения в , на котором был изображен тор из ионизированных атомов вдоль своего орбитального пути и вулканы на его поверхности.
7 декабря 1995 г. Галилео Orbiter стал первым зондом, который установил орбиту вокруг Юпитера, где он будет оставаться в течение семи лет. Во время своей миссии он провел несколько облетов всех галилеевых спутников и Амальтеи и запустил зонд в атмосферу. Кроме того, это было идеальное место, чтобы засвидетельствовать влияние Комета Шумейкера – Леви 9 когда он приблизился к Юпитеру в 1994 году.
21 сентября 2003 года Галилей был намеренно направлен на планету и разбился в ее атмосфере со скоростью 50 км / с, главным образом для того, чтобы избежать столкновения и вызвать любое возможное загрязнение Европы - спутника, который, как считается, жизнь в гавани .
Художественное впечатление от New Horizons с Юпитером. Изображение предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения / JHUAPL.
Данные, собранные как зондом, так и орбитальным аппаратом, показали, что водород составляет до 90% атмосферы Юпитера. Зарегистрированные данные о температуре превышали 300 ° C (570 ° F), а измеренная скорость ветра превышала 644 км / ч (400 миль / ч) до того, как зонд испарился.
В 2000 г. Кассини зонд (по пути к Сатурн ) пролетел мимо Юпитера и обеспечил одни из самых высоких разрешений, когда-либо сделанных на нашей планете. На пути к Плутон , то Новые горизонты космический зонд пролетел мимо Юпитера и измерил выход плазмы из Я вулканы подробно изучили все четыре спутника Галилея, а также провели дальние наблюдения за Гималия и Элара .
НАСА Юнонамиссия , запущенный в августе 2011 года, вышел на орбиту вокруг планеты Юпитериан 4 июля 2016 г. . Цель этой миссии - изучить внутреннее пространство Юпитера, его атмосферу, его магнитосферу и гравитационное поле, в конечном итоге с целью определения истории формирования планеты (которая прольет свет на формирование Солнечной системы).
Когда зонд вышел на полярную эллиптическую орбиту 4 июля после завершения 35-минутного запуска главного двигателя, известного как Jupiter Orbital Insertion (или JOI). Когда зонд приблизился к Юпитеру над его северным полюсом, ему был предоставлен вид на систему Юпитера, который он получил финальное изображение перед началом JOI.
Иллюстрация космического корабля НАСА 'Юнона', который запускает свой главный двигатель, чтобы замедлиться и выйти на орбиту вокруг Юпитера. Предоставлено: НАСА / Lockheed Martin.
10 июля зонд «Юнона» передал свои первые изображения с орбиты после резервного питания своего набора научных инструментов. Изображения были сделаны, когда космический корабль находился на расстоянии 4,3 миллиона км (2,7 миллиона миль) от Юпитера и на исходном участке своей первоначальной 53,5-дневной орбиты захвата. В цветное изображение На изображении слева направо показаны атмосферные особенности Юпитера, в том числе знаменитое Большое Красное Пятно и три из четырех крупнейших спутников массивной планеты - Ио, Европа и Ганимед.
Следующий запланированный полет к системе Юпитера будет выполнен Европейским космическим агентством. Юпитер Ледяной Исследователь Луны (СОК), запуск которого запланирован на 2022 год, а затем НАСА Европа Клипер миссия в 2025 году.
Экзопланеты:
Открытие экзопланет показало, что планеты могут быть даже больше Юпитера. Фактически, количество « Супер Юпитеры ”, Наблюдаемая космическим зондом Кеплер (а также наземными телескопами) за последние несколько лет, была ошеломляющей. Фактически, по состоянию на 2015 год было идентифицировано более 300 таких планет.
Известные примеры включают ПСР В1620-26 б (Мафусаил), который был первым наблюдаемым супер-Юпитером (в 2003 году). Возраст этой планеты составляет 12,7 миллиарда лет. Это третья по возрасту известная планета во Вселенной. Есть также HD 80606 b (Ниобе), орбита которой самая эксцентричная из всех известных планет, и 2М1207б (Лерна), которая вращается вокруг коричневого карлика Фомальгаут б (Иллион).
Вот интересный факт. Ученые предполагают, что увеличение количества газа могло бы стать в 15 раз больше Юпитера, прежде чем он начал синтез дейтерия, что сделало бы его звездой коричневого карлика. Это тоже хорошо, поскольку Солнечной системе меньше всего нужно, чтобы Юпитер стал новой звездой!
Юпитер был правильно назван древними римлянами, которые выбрали имя в честь царя богов (также известного как Юпитер). Чем больше мы узнаем и понимаем об этой самой массивной из планет Солнца, тем более заслуживающим этого названия она кажется.
У нас в Universe Today есть много интересных статей о Юпитере. Вот несколько статей о цвет а также сила тяжести Юпитера, как он получил свое название , а также как это сформировало нашу Солнечную систему .
Есть вопросы о величайших загадках Юпитера? Тогда вот Есть ли у Юпитера твердое ядро? , Может ли Юпитер стать звездой? , Можем ли мы жить на Юпитере? , а также Можем ли мы терраформировать Юпитер?
Мы записали целую серию подкастов о Солнечная система в Astronomy Cast .